构建能量转化模型突破新能源试题

董耀　孙伟军　葛静

摘 要：纵观近几年各地中考试题，新能源试题频繁出现。本文以近4年江苏省镇江市中考新能源试题为例进行分析，旨在帮助学生建立理解物理模型，发展学生的建模技能。

关键词：能量转化；新能源；模型与建模

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0043-4

1 问题的提出

近几年各地中考试题频繁出现以新能源利用为背景的试题，它体现了科学技术对社会进步的推动，意在培养学生的环保节能意识。这类试题往往选材构思新颖巧妙，需要学生从实际的生活情境入手，抽丝剥茧建立合理的物理模型，进而运用相应的物理知识解决问题。但从笔者参加的近几年中考阅卷结果来看，不少学生遇到与生活密切相关的新能源类问题时，往往不能灵活分析，解决实际问题。

下面笔者以近4年镇江市中考新能源试题为例进行分析，不妥之处请同行斧正。

2 能量转化的物理模型构建

2.1 物理模型的概念

物理建模是对实际问题进行科学的抽象化处理，保留主要因素，略去次要因素，得出能够反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构的过程。物理模型的建立和分析过程也是科学探究能力和创新能力的提高过程。[1]

2.2 如何构建能量转化模型

建模教学把建模过程分为两个阶段：模型发展和模型运用[2]。任何一个物理模型的发展都是经历错误到正确，简单到复杂，这亦是学生认知的发展过程。在建模过程中应该对学生的认知错误加以利用，形成认知冲突，提升学生的建模能力。

通过对比近4年镇江市中考物理新能源试题（如表1），我们发现该类型题目与实际生活联系紧密，字数多，信息量大。因此，如何理清思绪合理建模是解决此类问题的关键。

为此，笔者尝试由易及难，引导学生自主建立能量转化模型。

例1 某种能量甲在转化为能量乙时，转换效率为η。尝试用椭圆分别表示能量甲和乙，其大小代表能量的多少，用箭头表示能量转化方向，画出能量转化模型。

通过对关键信息的提取，学生给出了如下三种能量转化模型图（图1、2、3）。在此基础之上，引导学生对比三种模型，发现不同之处，独立思考后小组讨论哪一种模型最合理，并指出另外两种模型的不合理之处。在对比判断中，大多数学生掌握了简单的能量转化模型。

图3模型对应的物理原理或公式的表达是解决问题的关键。首先，由能量守恒定律知：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的总量保持不变。但是，能量在转移或转化时，是由一种能量转化为两种或两种以上的能量，所谓能量的总量保持不变是指它们之间存在的物理关系为：…。但单独看转化前后甲乙两种能量则是多转化为少的过程，用物理公式来表达则为式（3）。

以上这一建模过程是笔者结合教学中学生的认知错误，进行合理设计，意在让学生学会建立能量转化模型，更让学生正确理解模型后面对应的物理原理。在此基础之上，有助于后面学生对复杂能量转化类题目的理解。

3 运用模型解决新能源试题

例1 （2014镇江）如图4是一种配有风力发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12 kW。光电池接收太阳光辐射的功率为1 kW。吹向风力发电机叶片上的风速与风功率之间的关系如表2所示，风能转化为电能的效率为4%，光电池将光能转化为电能的效率为η。

例2 （2015镇江）如图6所示，通过安置在插座上的电流转换器，将电能转换为超声波，电动小车上的接收器收到超声波讯号，可将其能量转换为电能为电池充电。已知接收器接收到的超声波功率与它和转换器间距离L的平方成反比，它将超声波能量转化为电能并储存在电池中的效率为50%，当小车与转换器间距离L0=1 m时，接收器接收到的超声波功率P0=8 W。当小车在平直路面上以0.2 m/s的速度匀速行驶时，所消耗的电池电能的80%用于维持小车匀速行驶，小车受到的阻力为16 N。

（1）当车与转换器距离1 m时，求电池充电1 h所储存的电能；

（2）小车在平直路面上以0.2 m/s的速度匀速行驶5 min，求该过程中消耗的电池电能；

（3）若充电时小车与转换器之间距离L=2 m，则2 h内所充电能可使小车以0.2 m/s的速度匀速行驶多远？

解析 本题选材独特，立意新颖，基于“无线充电”这种教材中没有的新情景。在教学中笔者发现不少学生一看到新情景就慌了。其实，尽管情景新，但考查的仍是我们学习过的熟悉知识：能量转化知识；只要我们仔细审题，不难根据题意建立能量转化模型（如图7），并由图进行分析求解。

例3 （2016镇江）最近，一项“中国原创”重大发明成为世界关注的焦点！它被称为“空中奔跑的巴士”（又称巴铁），预计今年7月进行测试。巴铁靠电力驱动在钢轨上行驶，相当于40辆柴油公交车的运量。若1辆柴油公交车日常行驶时发动机的平均输出功率为60 kW，发动机的效率为30%，每消耗1 kg柴油排放二氧化碳约为3 kg，柴油的热值近似取q=4.0×107 J/kg。

（1）若巴铁在100 s内沿直线行驶了1 500 m，求这段时间内巴铁的平均速度；

（2）按柴油公交车每日行驶10 h计算，镇江若引进1辆巴铁取代40辆柴油公交车，则每日可减少二氧化碳排放量多少千克？

（3）巴铁车内电器每天需消耗60 kW·h的电能，若这些电能全部由车顶上的太阳能电池板来提供，已知该太阳能电池板1 m2面积上接收到的太阳平均辐射功率为1 kW，光电转化效率为20%，每天日照时间按6 h计算，求需太阳能电池板的最小面积。

解析 本题以社会热点话题“巴铁”为情境立题，以二氧化碳排放和光能发电为例渗透节能减排的环保意识。

太阳能电池板1 m2面积上接收到的太阳平均辐射功率为1 kW，故太阳能电池板的最小面积为50 m2。

例4 （2017镇江）某汽车在平直路面上以75 km/h的速度匀速行驶1 h的过程中，消耗了5 kg汽油，汽油燃烧释放能量的40%随废气通过热电转化装置，如图10所示，汽油热值近似取q=5×107 J/kg。设汽油在汽缸内完全燃烧。

（1）图示时刻，四冲程汽油机处于 冲程；若（下转第51页）（上接第45页）该汽油机每分钟完成7 200个冲程，则它每秒钟完成 个工作循环；

（2）若上述过程中汽油燃烧释放能量的30%用来驱动汽车行驶，求汽车所受的阻力；

（3）研究表明新材料的出现可将热电转化装置的效率大幅提高到15%。据此计算，上述过程中随废气排放的能量通过转化装置后可获得多少电能？这些电能可供车内总功率为1 000 W的用电器持续工作多长时间？

解析 本题以书本中学生非常熟悉的汽油机为例，以新技术“热电转化”为背景，提倡能源的二次利用。能量转化图如图11。

4 新能源试题对物理教学的启发

以镇江中考卷为例，多年以来偏好命制新能源试题。该类试题注重联系生活与科技，引导实际，多采用“一题多问，渐入深出，逐层递进”的设问风格，总体难度较大；但是第（1）问大多简单基础，一般能力水平的学生应当能够解答；而（2）（3）问为能力强、思维活跃的学生提供了展示自我的机会。

在这类问题的教学学习中，学生不要急于记住几个结论和公式，老师亦应不急于给出结论和公式，而要引导学生由浅入深厘清能量转化关系，建立合理的能量转化模型。以模型为载体，从模型的建立中，认识工作原理，凸显物理本质，消除神秘感、陌生感，增强应用意识。这也启示我们在平时的物理教学中要广泛联系生产生活，联系现代科技，提高学生应用物理模型分析解决问题的意识和能力，引导教学关注物理本质，鼓勵学生深入思考。

参考文献：

[1]汤清修，郭玉英.初中物理教学关键问题指导[M]北京：高等教育出版社，2016.

[2]王全，母小勇.模型与建模国际物理教育新观点[J].外国中小学教育，2009（3）：55-58.

（栏目编辑 陈 洁）endprint